張樂(lè) 王浩然

摘要：本文主要描述了直埋敷設(shè)熱力管道上的作用以及相應(yīng)的變形，將作用產(chǎn)生的應(yīng)力分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力，提出了直埋敷設(shè)熱力管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)的應(yīng)力分類法。分析了直埋敷設(shè)熱力管道的破壞方式，直管的破壞方式包括循環(huán)塑性變形的整體失穩(wěn)，而疲勞破壞是管件的主要破壞方式，針對(duì)不同的破壞方式，討論了強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：集中供熱;直埋管道;強(qiáng)度設(shè)計(jì);應(yīng)力;應(yīng)力分類法;失效方式

1 應(yīng)力分類法

1.1 鋼材的塑性變形與破壞

鋼材屬于塑性良好材料，從其拉伸實(shí)驗(yàn)可以看出：鋼材從屈服到斷裂的塑性變形量比屈服極限對(duì)應(yīng)的最大彈性變形量大10-15倍以上，故產(chǎn)生塑性變形并不意味鋼材破壞。

鋼材的塑性變形可分為有限和無(wú)限兩種。只有無(wú)限塑性變形，才會(huì)導(dǎo)致鋼材的塑性流動(dòng)而產(chǎn)生破壞;而大小與最大彈性變形相當(dāng)?shù)挠邢匏苄宰冃问遣粫?huì)產(chǎn)生破壞的。

實(shí)際上，人們?cè)谏a(chǎn)和生活中，還常常利用這種有限塑性變形。從機(jī)械加工中的汽車車體，到居室中的熒光燈罩，甚至本文討論的鋼管，無(wú)不都是通過(guò)塑料變形而制造成的。

1.2 作用（荷載）

所有使管道產(chǎn)生內(nèi)力和變形的因素都稱為作用（又稱荷載）。當(dāng)鋼材屈服時(shí)，不同類型的作用，使管道產(chǎn)生不同類型的塑性變形，進(jìn)一步可能導(dǎo)致不同方式的破壞。

根據(jù)所產(chǎn)生塑性變形的類型，作用可分為不同的兩類：

力作用是給定的力，而與管道變形無(wú)關(guān)，如管道自重和介質(zhì)壓力。

位移作用可以是給定的位移或變形，如熱脹變形或管道沉降，也可以是與位移或變形有關(guān)的力，如土壤的軸向摩擦力和側(cè)向壓縮反力。

1.3 應(yīng)力分類法

力作用產(chǎn)生的應(yīng)力稱為一次應(yīng)力，它取決于靜力平衡條件。如果一次應(yīng)力超過(guò)了極限狀態(tài)，管道會(huì)發(fā)生無(wú)限的塑性流動(dòng)，立即導(dǎo)致爆裂或斷裂。因此，應(yīng)控制一次應(yīng)力，使之處于不產(chǎn)生塑性流動(dòng)，為此應(yīng)對(duì)一次應(yīng)力進(jìn)行極限分析。

位移作用產(chǎn)生的應(yīng)力稱為二次應(yīng)力（直埋管道中主要是溫度產(chǎn)生的溫度應(yīng)力），它取決于變形協(xié)調(diào)條件。如果二次應(yīng)力超過(guò)了極限狀態(tài)，管道只會(huì)產(chǎn)生有限的塑性變形。但由于塑性變形對(duì)鋼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷，隨著時(shí)間推移，循環(huán)往復(fù)的塑性變形也會(huì)使管道發(fā)生破壞。因此，應(yīng)控制二次應(yīng)力，使之不產(chǎn)生循環(huán)往復(fù)塑性變形，為此應(yīng)對(duì)二次應(yīng)力進(jìn)行安定性分析。

2 設(shè)計(jì)方法

2.1 直埋管道作用特點(diǎn)及破壞方式

由于土壤的均勻支撐，使管道自重可忽略不計(jì)。而由于熱網(wǎng)管道的公稱壁厚遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于介質(zhì)壓力所需的設(shè)計(jì)壁厚，也使內(nèi)壓應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管材的屈服應(yīng)力。因此，在直埋管道中，自重和內(nèi)壓等力作用的影響相對(duì)較小。

另一方面，由于土壤的約束，直管段的熱脹變形不能自由釋放，在溫度變化時(shí)形成的溫度應(yīng)力可能產(chǎn)生循環(huán)塑性變形，在運(yùn)行溫度下形成的升溫軸向壓力可能引起失穩(wěn)，而直管段的熱脹變形，向三通、彎頭和折角等薄弱部件的轉(zhuǎn)移還會(huì)導(dǎo)致疲勞破壞，向閥門的轉(zhuǎn)移還會(huì)導(dǎo)致閥門破壞。因此。在直埋管道中，溫度對(duì)管道強(qiáng)度的影響較大。

對(duì)于管徑不大于DN500的直埋熱網(wǎng)，一般存在下面幾種破壞方式：

2.1.1 直管段的循環(huán)塑性破壞和整體失穩(wěn)破壞;

2.1.2 三通、彎頭、折角和大小頭以及閥門等薄弱部件產(chǎn)生的破壞。

強(qiáng)度設(shè)計(jì)就是采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方法，防止上述破壞發(fā)生，保證管道安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

2.2 直管的設(shè)計(jì)方法

2.2.1 防止循環(huán)塑性破壞的設(shè)計(jì)方法

管道溫度在工作循環(huán)最高溫度與最低溫度間變化時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力變化是循環(huán)塑性破壞的起因。由于應(yīng)力變化與安裝溫度無(wú)關(guān)，故預(yù)應(yīng)力安裝不解決冷安裝循環(huán)塑性破壞的問(wèn)題。

當(dāng)錨固狀態(tài)的直管段滿足安定性條件時(shí)。允許無(wú)補(bǔ)償管段存在，這當(dāng)然包括冷安裝無(wú)補(bǔ)償管段。否則，只能在該直管段中按一定間距設(shè)置補(bǔ)償裝置，使管道變成有補(bǔ)償管段。

2.2.2 防止整體失穩(wěn)破壞的設(shè)計(jì)方法

管道溫度從安裝溫度升高到管道工作循環(huán)最高溫度時(shí)所產(chǎn)生的升溫軸向壓力是整體失穩(wěn)破壞的起因。

在冷安裝條件下，當(dāng)錨固狀態(tài)的直管段滿足穩(wěn)定性條件時(shí)，將允許冷安裝無(wú)補(bǔ)償管段存在。否則，應(yīng)采取下列措施：

（1）增加覆土深度，增大阻止失穩(wěn)的反力;

（2）采用預(yù)應(yīng)力安裝方式（預(yù)熱或設(shè)置一次性補(bǔ)償器），降低熱脹變形的大小;

（3）設(shè)置補(bǔ)償裝置，釋放吸收熱脹變形。

2.2.3 直管設(shè)計(jì)一般規(guī)律

一般地講，運(yùn)行溫度不高于130℃、埋深在1m以下、管徑不大于DN500的熱網(wǎng)，從直管強(qiáng)度的角度，冷安裝無(wú)補(bǔ)償管段在強(qiáng)度上是沒(méi)有問(wèn)題的。但是，從保護(hù)薄弱部件以及減小固定墩推力的角度，往往還要在局部管段設(shè)置補(bǔ)償裝置。

至于預(yù)應(yīng)力安裝方式，由于只能解決穩(wěn)定性的問(wèn)題，而通過(guò)增加覆土深度或設(shè)置補(bǔ)償裝置解決穩(wěn)定性問(wèn)題，通常會(huì)更經(jīng)濟(jì)一些，故預(yù)應(yīng)力安裝方式的使用變得越來(lái)越少。

2.2 防止薄弱部件破壞的設(shè)計(jì)方法

薄弱部件的應(yīng)力取決于兩個(gè)方面，其一該部件本身結(jié)構(gòu)是否容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，其二所連直管的熱脹變形轉(zhuǎn)移。因此，可以從下面三個(gè)方面避免破壞產(chǎn)生。

2.2.1 薄弱部件的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

從管道部件本身角度講，采用應(yīng)力集中程度小的結(jié)構(gòu)，以降低峰值應(yīng)力：

（1）使用增加壁厚或采用加強(qiáng)板的三通;

（2）采用大彎曲半徑或壁厚增加的彎頭;

（3）用大彎曲半徑的曲管或多個(gè)應(yīng)力集中程度小的小折角代替一個(gè)大折角;

（4）用U型彎管代替15°-17°的折角或彎頭;

（5）用多個(gè)逐級(jí)變化的大小頭代替一個(gè)管徑變化較大的大小頭;

（6）使用強(qiáng)度特性好的鋼制焊接閥門等。

2.2.2 設(shè)置固定墩的方法

從管道布置上，可通過(guò)設(shè)置固定墩，來(lái)阻止熱脹變形向應(yīng)力集中的部件轉(zhuǎn)移;

（1）在彎管的彎臂上設(shè)置固定墩;

（2）在三通的支管上設(shè)置固定墩;

（3）在折角、大小頭、閥門及三通主管附近的直管上設(shè)置固定墩，限制直管的熱脹變形向這些部件的轉(zhuǎn)移等。

2.2.3 局部的有補(bǔ)償方法

從管道布置上，也可通過(guò)設(shè)置補(bǔ)償裝置，來(lái)吸收熱脹變形向應(yīng)力集中的部件轉(zhuǎn)移。補(bǔ)償裝置可以是波紋管補(bǔ)償器，也可是利用管線的走向形成彎管補(bǔ)償器：

（1）在彎管的彎臂上設(shè)置補(bǔ)償裝置;

（2）在三通的支管上設(shè)置補(bǔ)償裝置;

（3）在折角、大小頭、閥門及三通主管附近的直管上設(shè)置補(bǔ)償裝置等。

3 結(jié)語(yǔ)

直埋管網(wǎng)的設(shè)計(jì)屬于系統(tǒng)工程，在管網(wǎng)中存在著多種失效方式，而且各種失效方式的起因是不同的，產(chǎn)生的部位也是不同的，在設(shè)計(jì)中僅僅對(duì)直管的溫度應(yīng)力進(jìn)行安定性分析是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。本文在討論應(yīng)力分類法的基礎(chǔ)上，提出了針對(duì)不同部件上不同應(yīng)力的設(shè)計(jì)方法，并將有補(bǔ)償安裝和無(wú)補(bǔ)償安裝方式有機(jī)地結(jié)合在一起，從系統(tǒng)的角度保證了所有部件都處于安全狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳海燕，張皓皓，顏燕.提高直埋供熱管道安全運(yùn)行的途徑[J].煤氣與熱力.2010（09）

[2]楊海礁.直埋供熱管道埋深的研究[J].煤氣與熱力.2010（10）.